信号发生器课程设计

课程设计名称：电子技术课程设计题目：信号发生器

学期：2012-2013学年第2学期

专业：测控技术与仪器

班级：

姓名：

学号：

指导教师：

辽宁工程技术大学

课程设计成绩评定表

课程设计任务书

一、设计题目

集成运放应用电路设计

二、设计任务

请使用一片LM324或其他四运放芯片，实现下述功能（整体框图见下图）：

1.使用运放，产生一个三角波信号U1，峰峰值为4V，频率为5KHz。

2.使用仿真软件中低频信号源输出一个正弦波信号U2，频率为500Hz，峰峰值为200 mV。

3.设计一个比例加法器，输出信号为U3，U3 = U1 + 10U2

4.设计一个滤波电路，使其可以最大限度地滤除5KHz的分量，保留500Hz的分量，输出结果为U4，其峰峰值为4~5V可调。

5.设计一个比较器电路，对U1和U4信号进行比较，输出信号为U5，峰峰值为3V。

要求运放使用+12V单电源供电。

三、设计计划

电子技术课程设计共1周。

第1天：针对选题查资料，确定设计方案；

第2天：方案分析比较，电路原理设计，进行元器件及参数选择；

第3～4天：电路仿真，画电路原理图,要求至少用Multisim；

第5天：编写整理设计报告，格式必须准确。

四、设计要求

1. 画出整体电路图。

2. 对所设计的电路全部或部分进行仿真，使之达到设计任务要求。抓图背景为白色。

3. 写出设计报告书。

指导教师：闫孝姮

时间：2013年6月22日

目录

1方案论证---------------------------------------- 1 1.1方案一--------------------------------------------------- 1 1.2方案二--------------------------------------------------- 1 1.3方案三--------------------------------------------------- 1 2原理及技术指标---------------------------------- 2 2.1三角波发生电路------------------------------------------- 2 2.2同相比例加法器------------------------------------------- 3 2.3有源二阶低通滤波电路------------------------------------- 4 2.4电压比较器----------------------------------------------- 5 3单元电路设计及参数计算-------------------------- 6 3.1矩形波及三角波发生电路及参数值--------------------------- 6 3.2比例加法器电路及参数值----------------------------------- 9 3.3压控电压源二阶低通滤波电路及参数值---------------------- 10 3.4电压比较器电路及参数值---------------------------------- 12 4仿真------------------------------------------- 13 4.1三角波发生电路------------------------------------------ 13 4.2同相比例加法器------------------------------------------ 14

4.3有源滤波电路-------------------------------------------- 15 4.4电压比较器---------------------------------------------- 15 5设计小结--------------------------------------- 16 6.参考文献--------------------------------------- 18

摘要

信号发生器在生产生活中起着重要的作用。想要设计一个信号发生器，首先，使用运放构成滞回比较器和积分器产生一个三角波信号，使用仿真软件中电压源输出一个正弦信号。然后使用同相求和运算电路设计比例加法器将两种波叠加，接着设计有源滤波器进行滤波，然后通过比较器进行比较输出最终信号。此次实验涉及信号的产生，比例加法器，滤波器，比较器等知识。是对所学知识的一次综合考察。同时，也使得我学会运用仿真软件。

关键词：比例加法器；滤波器；比较器；信号源；三角波发生器；TINA；

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1方案论证

1.1方案一

利用lm324构成的有源三角波发生电路可以产生标准的噪声较小的三角波，但是，电路内部需要两个运算放大器，所以不符合任务要求。因此，该方案不能采取。

1.2方案二

由于任务要求必须使用4个lm324完成，因此本方案将滤波电路改为无源低通滤波电路器将5kHz的波形滤掉，而保存500Hz波形。但是，无源低通滤波电路适用于高频电路例如：整流电路，对信号的滤除作用较小或不明显。因此，本方案不合要求，故不能使用此方案。

1.3方案三

1、运放选择：lm324系列运放市场上常用Texas Instruments，On Semi, ST

Microelectronics。该系列运放共同点为使用温度范围均为70℃、最大工作电压为32V、转换速率为0.5V/us，不同点有封装形式、引脚数目、共模抑制比等参数。

针对课设要求：单电源供电、使用四个运算放大器，可选择了lm324N、lm324A等直插式运放。

2、电路图：首先用lm324构成方波发生电路，在使用无源积分电路将方波积分后变

为三角波，然后将此三角波与正弦波（频率500Hz，振幅200mV）通过同相比例加法器合成。接着，用lm324构成有源低通一阶滤波电路将高频信号去除留下低频信号。最后，将低频信号和三角波通过电压比较器进行比较输出，其波形为矩形连续波形。本方案既节省运放，而且波形输出效果较好，故使用本方案进行。

3、仿真软件：本次课程设计所用运算放大器为TI公司提供，为避免软件方面带来的

误差而选择由TI公司推出的仿真软件“TINA”。

杨磊：信号发生器

2原理及技术指标

2.1三角波发生电路

因为矩形波电压只有两种状态，不是高电平，就是低电平，所以滞回电压比较器是它的重要组成部分；因为产生振荡，就是要求输出的两种状态自动的相互转换，所以电路中必须引入反馈；因为输出状态应按一定的时间间隔交替变化，即产生周期性变化，所以电路中要有延迟环节来确定每种状态维持的时间。

滞回比较器可用于产生矩形波、三角波和锯齿波等各种非正弦波信号，也可用于波形变换电路。用于控制系统时，滞回比较器的主要优点是抗干扰能力强。当输入信号受干扰或噪声的影响而上下波动时，只要根据干扰或噪声电平适当调整滞回比较器两个门限电平UT+和UT-的值，就可以避免比较器的输出电压在高、低电平之间反复跳变。

滞回比较器的输入电压经电阻R1加在集成运放的反响输入端，参考电压REF U 经电阻R2接在同向输入端，此外从输出端通过电阻F R 引回同向输入端。电阻R 和背靠背稳压管Z VD 的作用是限幅，将输出电压的幅度限制在±UZ 。

图2 滞回比较器的输入输出波形

当集成运放反向输入端和同向输入端的电位相等，即-+=u u 时，输出端的状态将发

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生跳变。

其中I u u =-，+u 则由参考电压REF U 及输出电压O u 两者共同决定，而O u 有两种可能

的状态：+UZ 或-UZ 。由此可见，使输出电压由+UZ 跳变成-UZ ，以及由-UZ 跳变成+UZ 所需的输如电压值是不同的。也就是说，这两种比较器有两个不同的门限电平，故传输特性呈滞回形状。

利用叠加原理可求的门限电平：

Z R R R REF R R R T U U U F F F +++=+222 Z R R R REF R R R T U U U F F F ++-=-22

2

由以上两式可求的门限宽度： Z f T U R R R U +=?222

2.2同相比例加法器

依据：0==+-i I U U 得知：==-U I I R f O f U R R R +

3221321R U R U U R U U I I I i i +++=-+-=+

令+-=U U 得o U 与21.i i U U 的关系式

第二种方法 利用迭加原理求出+U 及-U

杨磊：信号发生器

231231132132////////i i U R R R R R U R R R R R U +++=

+ （321////R R R R =+ ）

223123121321321)//(//////R U R R R R R R R U R R R R R R i i ?+?+?+?=

??????+=+2211R U R U R i i f o

R U R U -==- +-=U U ??????+?=∴-2211R U R U R R R U i i f f o

当两输入端外电路平衡时，有-

+=R R 2211i f i f o U R R U R R U +=∴ 当321R R R ==时，21i i o U U U += 实现两信号相加，且同相。

2.3有源二阶低通滤波电路

图示为压控电压源二阶低通滤波电路

压控电压源二阶低通滤波电路既引入了负反馈，又引入了正反馈。当信号频率趋于零时，由于C1的电抗趋于无穷大，因而正反馈很弱；当信号频率趋于无穷大时，由于C2的电抗趋于零，因而)(s U p 趋于零。

设计计算公式如下：

截止角频率：02211021f C R C R πω==

[6] ( 为截止频率或转折频率0f )

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增益因子：

r f

f R R A H +==10 由R~Ω4~210得，05~31101

f C ≈，又21

,12==k kC C

若单位增益为1，则有2

1R ,R R R f r +=∞=即开路，且 若单位增益大于1，则有

)

()(12121R R A R R R A A R f f f f

r +=+-=， 电阻

102,12211C k k

R ω-±= 2.4电压比较器

图5.1

图5.1所示为一般单限比较器，REF U 为外加参考电压。根据叠加原理，集成运放反相输入端的电位

REF N U R R R u R R R u 2121211+++= [1]

令0==P N u u ，则求出阈值电压

杨磊：信号发生器

REF T U R R U 12-=

3单元电路设计及参数计算

注意：1、下述运算放大器在仿真软件TINA 中均使用PNP 型lm324n 搭接电路并进行仿

真。

2、理论值计算均与实际仿真出入较大

3.1矩形波及三角波发生电路及参数值

图示1三角波电路及参数

由于信号发生器所用运放均为单电源供电，因此须对原理公式进行变形。

已知：V V p p 4=-，KHz f 50=

。用

在计算时为方便起见仍使用稳压管损失且有电阻分压

无源积分电路存在能量V V U z 4,3.4,4623N 1=∴

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振荡周期：us f 2001T 0

== )1ln(2)1()0()2

(2))0(()())0(()(RC 21321132T Z 2

T 33R R C R T R R R U C R e U U e U U T U T t U e U U t U U e

U U t U T C R Z C R Z T c s

RC t

s c c s RC t

s c c +=+==-=+-===∴+-=∴+-=----代入得到：将阈值，其中时，电路“三要素法”：一阶τ

此时，将us 200T =代入，并预设K R R R 1321===，可得到：mF C 26.144=

矩形波理论参数仿真：

矩形波调试后：

杨磊：信号发生器

三角波经过再次调试，逐次改变电阻电容值获得最终三角波波形如下：

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3.2比例加法器电路及参数值

图示2比例加法器电路及参数

根据原理公式)(

2

211R U R U R U I I f o +=： 101;1102213==∴+=R R R R U U U f f

所以，可令Ω=K R f 10，则Ω=Ω=K R K R 10121，，由于当213////R R R R f =时，可省去原理图中的R4，则可使Ω=K R 13。

杨磊：信号发生器

3.3压控电压源二阶低通滤波电路及参数值

图示3压控电压源低通滤波电路及理论值

根据压控电压源二阶低通滤波电路原理公式可得：

由于要滤去5KHz 的信号，因此取截止频率Hz f 7000=，同时假设电压增益1=f A ，则，即开路∞=3R ，由此计算：

nF f C 143101

041=≈- nF C C 5.712

112== s rad f /4398200==πω 得由102,12211C k k

R ω-±=： Ω==K R R 25.221

Ω=+=K R R R f 5.421

理论值仿真波形：

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调试后：

有上面两幅图像可看出：该压控电压源滤波电路不能实现峰峰值4~5V 可调，最大仅能维持在4V 左右，因此，可以要将3R 保留，并与f R 共同实现放大作用，改进后电路图如下：

其输出波形如下：

杨磊：信号发生器

由此可见，该电路可使得峰峰值保持在9V 左右，若改变f R 的阻值，可控制输出波形峰峰值在4~5V 之间可调节，经过调试得到如下结果；

当Ω=830f R 时，V U o 4≈

当Ω=K R f 1时，V V U o 598.4≈=

3.4电压比较器电路及参数值

图示4 电压比较器电路及参数

图示电路与理论电路图区别在双输入，为实现比较要求，需要将两个信号进行比较，因此需要对原电路图进行改进。稳压管使用1N5914，其稳压值为3.6V 。

接入分两种情况：

（1） 三角波接入正相端，得到如下波形：

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（2）三角波接入反相端，得到如下波形：

4仿真

4.1三角波发生电路